大型水力発電機における固定子と回転子の間の空気ギャップの不均一性（一般に「空気ギャップ偏心」として知られる）は、発電機の安定運転と寿命に一連の悪影響を及ぼす可能性のある深刻な故障モードである。
簡単に言うと、エアギャップの不均一性は磁場分布の非対称性を引き起こし、それが一連​​の電磁気的および機械的な問題につながります。以下では、ステータ電流と電圧への影響、およびその他の関連する悪影響について詳しく分析します。
I. ステータ電流への影響
これは最も直接的で明白な影響である。
1. 電流および波形歪みの増加
原理：エアギャップが小さい領域では磁気抵抗が小さく、磁束密度が大きくなる。エアギャップが大きい領域では磁気抵抗が大きくなり、磁束密度が小さくなる。この非対称な磁場によって、固定子巻線に不均衡な起電力が発生する。
性能：これにより、三相固定子電流に不均衡が生じます。さらに重要なことに、電流波形に多数の高調波、特に奇数次高調波（3次、5次、7次など）が混入し、電流波形が滑らかな正弦波ではなく歪んだ波形となります。
2. 特性周波数を持つ電流成分の生成
原理：回転する偏心磁場は、基本電力周波数電流を変調する低周波変調源に相当する。
性能：ステータ電流スペクトルにサイドバンドが現れます。具体的には、基本周波数（50Hz）の両側に特徴的な周波数成分が現れます。
3. 巻線の局所的な過熱
原理：電流中の高調波成分は、固定子巻線の銅損（I²R損失）を増加させます。同時に、高調波電流は鉄心に渦電流損失とヒステリシス損失を追加的に発生させ、鉄損の増加につながります。
性能：ステータ巻線と鉄心の局所的な温度が異常に上昇し、絶縁材料の許容限界を超え、絶縁劣化を加速させ、さらには短絡焼損事故を引き起こす可能性があります。
II．固定子電圧への影響
電圧への影響は電流への影響ほど直接的ではないものの、同様に重要である。
1. 電圧波形歪み
原理：発電機によって発生する起電力は、エアギャップの磁束に直接関係しています。エアギャップが不均一だと磁束波形が歪み、その結果、誘導される固定子電圧波形も歪み、高調波電圧が発生します。
性能：出力電圧の品質が低下し、標準的な正弦波ではなくなります。
2. 電圧不均衡
非対称性が著しい場合、三相出力電圧に一定の不均衡が生じる可能性がある。
III．その他のより深刻な悪影響（電流および電圧の問題によって引き起こされる）
上記の電流と電圧の問題は、さらに一連の連鎖反応を引き起こし、多くの場合、より致命的な結果をもたらします。
1. 不均衡な磁気引力 (UMP)
これは、エアギャップの偏心による最も深刻かつ危険な結果である。
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原理：エアギャップが小さい側では、エアギャップが大きい側よりも磁力がはるかに大きくなります。この正味の磁力（UMP）によって、ローターはエアギャップが小さい側へとさらに引き寄せられます。
悪循環：UMPは不均一なエアギャップの問題を悪化させ、悪循環を形成します。偏心が大きいほどUMPも大きくなり、UMPが大きいほど偏心も大きくなります。
結果：
・振動と騒音の増加：本機は強力な周波数倍増振動（主に電源周波数の2倍、100Hz）を発生させ、振動と騒音レベルが著しく増加します。
・部品への機械的損傷：長期にわたるUMPは、ベアリングの摩耗、ジャーナルの疲労、シャフトの曲がりを増加させ、ステータとローターが互いに擦れ合う（相互摩擦と衝突）ことさえ引き起こし、壊滅的な故障につながります。
2. ユニットの振動増加

情報源：主に2つの側面から。
1.電磁振動：不均衡な磁気引力（UMP）によって引き起こされ、その周波数は回転磁場とグリッド周波数に関係します。
2.機械的振動：ベアリングの摩耗、シャフトのミスアライメント、UMPによって引き起こされるその他の問題によって発生します。
影響：発電機セット全体（タービンを含む）の安定運転に影響を与え、発電所構造物の安全性を脅かす。
3．送電網接続と電力システムへの影響
電圧波形の歪みや電流高調波は、発電所の電力系統を汚染し、送電網に注入されるため、同一母線上の他の機器の正常な動作に影響を与え、電力品質要件を満たさなくなる可能性があります。
4. 効率と出力の低下
高調波損失と発熱が増加すると発電機の効率が低下し、同じ入力水力の場合、有効電力出力は減少する。
結論

大型水力発電機における固定子と回転子間のエアギャップの不均一性は、決して軽視できる問題ではありません。これは電磁気的な問題として始まりますが、すぐに電気的、機械的、熱的側面を統合した深刻な故障へと発展します。この不均一性によって生じる不均衡な磁気引力（UMP）とそれに伴う激しい振動は、発電機の安全な運転を脅かす主要因となります。したがって、発電機の設置、保守、および日常の運転・保守において、エアギャップの均一性を厳密に管理し、オンライン監視システム（振動、電流、エアギャップ監視など）を通じて、偏心故障の初期兆候を早期に検知し、迅速に対処する必要があります。